（环境工程专业论文）生物滴滤塔处理乙硫醇恶臭气体的研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：幽雄。 嗍 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：幽& 日期： 导师签名： 一 。 声 学位论文数据集 中图分类号 x 7 0 1 学科分类号 0 8 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 1 3 4 密级无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张雅旎 学号 2 0 0 4 0 0 0 1 3 4 获学位专业名称 环境工程获学位专业代码 0 8 3 0 0 2 课题来源自选项目 研究方向 大气污染控制工程 论文题目生物滴滤塔处理乙硫醇恶臭气体的研究 关键词污泥驯化，固定化颗粒，生物滴滤塔，乙硫醇 论文答辩日期 20 0 7 - 0 5 - 2 7论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师王京刚副教授北京化工大学环境工程 评阕入l胡翔副教授北京化工大学环境工程 评阋入2周律副教授清华大学环境工程 评阅人3 评阅人4 评阋入5 徽员蝴冯流教授北京化工大学环境工程 答辩委员1 王世平 教授中国农业大学环境工程和生态学 答辩委员2胡翔副教授北京化工大学环境工程 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b r1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 声 o 声 摘要 采用污水处理厂曝气池回流污泥，通过生化污泥接种驯化培养出 去除硫化物的优势菌种并对活性污泥固定化方法进行改进，利用改进 方法制备的固定化颗粒填充的生物滴滤塔处理乙硫醇恶臭气体。 结果表明：对污水处理厂活性污泥进行驯化能够培养出去除硫化 物的优势菌种。通过控制营养盐、驯化条件等驯化因素，污泥驯化历 时近5 0 天，后期进水c o d 保持在8 0 0 m g l 左右，出水c o d 则保持 在2 0 m g l 左右，去除率稳定在9 5 以上。 对聚乙烯醇硼酸法固定化活性污泥进行改进，以聚乙烯醇为包 埋剂的主要载体，添加少量海藻酸钠、二氧化硅、碳酸钙及活性炭， 来提高固定化颗粒对c o d 的去除率，并改善固定化颗粒的上浮和溶 胀。改进聚乙烯醇硼酸固定化方法中，p v a 最佳质量分数为6 5 ， 污泥浓度最佳质量分数为4 5 ，二氧化硅最佳质量分数为1 5 ，活 性炭最佳质量分数为o 3 ，c a 最佳质量分数为o 6 。改进聚乙烯 醇硼酸固定化方法制得的固定化颗粒对废水的c o d 平均去除率为 8 0 2 。固定化颗粒对环境变化的适应性及传质效果较好。 采用改进聚乙烯醇法制成的固定化活性污泥颗粒填充生物滴滤 池，考察在不同的进气流量和进气浓度时，生物滴滤塔对乙硫醇恶臭 气体的净化效率、抗冲击负荷能力以及连续运行稳定性。结果表明， 北京化工大学硕士学位论文 在断面速度低于3 x l o 3 m s 时，净化效率达9 0 以上。当进气流量为 o 0 5 m 3 h 及o 1 m 3 h 时，乙硫醇的净化效率不随进气浓度的变化而变 化，当气体流量为o 1 5 m 3 l l 时，乙硫醇净化效率随着进气浓度的提高 先降低后增加，出气浓度随进气浓度的增加而增加。生物滴滤塔对气 体浓度变化造成的冲击负荷有较强的缓冲能力，连续运行情况稳定。 关键词：污泥驯化，固定化颗粒，生物滴滤塔，乙硫醇 一 摘要 e x p e r i i e n t a ls t u d yo nt h et r e a t m e n t o fo d o rg a sc o n t a i n i n ge t l i a n e t h i o l b y b i o t r j c k l i n gf i l i t e r a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ef r o mt h ew a s t e w a t e rp l a n tw a si n o c u l a t e da n d d o m e s t i c a t e di nt h i st h e s i s t o g e t t h ea d v a n t a g eb a c t e r i a l t h e p v a h 3 8 0 3 i m m o b i l i z a t i o nm e t h o dw a si m p r o v e d t om a k et h e i m m o b i l i z e db e a dw h i c hw a sf i l l e di nt h eb i o - t r i c k l i n gf i l t e rt or e m o v a l t h ee t h a n e t h i 0 1 t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ea d v a n t a g eb a c t e r i a lw h i c hc a ng e tr i do f m e t h y lo fs u l p h i d ec a no b t a i n e dt h r o u g hi n o c u l a t i n ga n dd o m e s t i c a t i n g t h ea c t i v a t e ds l u d g ef r o mt h ew a s t e w a t e rt r e a t i n gp l a n t sf i r s t l y t h e d o m e s t i c a t i n gc o u r s el a s t 5 0d a y s ，t h er e m o v a lr a t er e a c ho v e r9 5 s t e a d i l y , w h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d i sa b o u t8 0 0 m g l ，t h e e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni sa b o u t2 0 m g l t h ei m m o b i l i z a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g eb yp v a h 3 8 0 3m e t h o dw a s i m p r o v e db ya d d i n ga c t i v a t e dc a r b o n ，s i 0 2 ，c a c 0 3a n dc a t oi m p r o v e t h er e m o v a lr a t eo fc o d i tw a sp r o v e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo fc o d w a s h i g h e s tw h e nt h ec o n t e n to fp v a ，s i 0 2 ，c a c 0 3 ，c a ；a c t i v a t e dc a r b o n a n d i i i a c t i v a t e ds l u d g ew a s6 5 ，1 5 ，o 3 ，o 6 ；o 3 ；4 5 r e s p e c t i v e l y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t e o fc o dw a ss t e a d yi nt h e c o n t i n u o u sr e a c t i o n , a n dt h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo fc o db yt h e i m p r o v e di m m o b i l i z e db e a dw a s8 0 2 t h e i m m o b i l i z e db e a dw a s a d a m e dw e l lt ot h e s u d d e nc h a n g eo ft h ep ha n dc o d ar e m o v a lp r o c e s sf o re t h a n e t h i o l i nap a c k e db e do ft h e i m m o b i l i z e da c t i v a t e ds l u d g ep e l l e t sw a sd i s c u s s e d t h ep e l l e t s o f i m m o b i l i z e da c t i v a t e ds l u d g ew e r ep r e p a r e dw i t hi m p r o v e dp o l y v i n y l a l c o h 0 1 b o r i ca c i d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h ep a c k e dt r i c k l i n g 。f i l t e r s h o wt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yl o w e r t h a n6 0 w h e nt h ei n l e tf l u xw a s g r e a t e rt h a n0 2 m 3 h t h e i n l e tg a sc o n c e n t r a t i o nh a sn oe f f e c to nt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ee t h a n e t h i o lw h e nt h ei n l e tg a sf l u xw a s0 0 5 m 3 l la n d0 1m 3 h w h e nt h ei n l e tg a sf l u xw a g0 15m 3 h ，t h er e m o v a l e 衔c i e n e yo ft h ee t h a n e t h i o lw i l li n c r e a s ea t f i r s ta n dt h e nd e c r e a s ea n d t h eo u t l e tg a sc o n c e n t r a t i o nw i l li n c r e a s e ，c o r r e s p o n d i n g t ot h ei n c r e a s i n g o ft h ei n l e tg a sc o n c e n t r a t i o n t h ea d a p t a t i o nt ot h es u d d e nc h a n g eo f c o n c e n t r a t i o na n dt h es t a b i l i t y o ft h ec o n t i n u u mr u n n i n g o ft h e b i o - t r i c k l i n gf i l t e ra r es t r o n g k e yw o r d s ：d o m e s t i c a t i o n ；i m m o b i l i z e db e a d s ；b i o - t r i c k l i n gf i l t e r ； 、 e t h a n e t h i o l ； i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1生物法处理恶臭气体的原理l 1 1 1 恶臭气体的来源1 1 1 2 恶臭治理技术2 1 1 3 生物脱臭机理4 1 2 恶臭气体生物处理工艺4 1 2 1 生物过滤塔5 1 2 2 生物滴滤塔7 1 2 3 生物洗涤塔8 1 3 活性污泥固定化技术9 1 3 1 固定化细胞的制备方法1 0 1 3 2 固定化细胞载体l l 1 4 国内外生物除臭的研究进展1 1 1 4 1 生物脱臭工艺方面的研究l l 1 4 2 固定化细胞技术的改进及在废气处理中的应用1 3 1 4 3 高效生物菌群的筛选1 4 第二章生物滴滤塔用污泥的驯化研究1 7 2 1 试验部分17 2 1 1 活性污泥来源1 7 2 1 2 活性污泥的液相培养驯化培养1 7 2 1 3 主要分析项目及测定方法1 7 2 2 结果与讨论l8 2 2 1c o d 去除效果18 2 2 2 进出水p h 值的变化情况1 8 2 2 3 活性污泥浓度( m l s s ) 的变化趋势1 9 2 2 4 污泥沉降性能( s v ) 的变化2 0 2 2 5 污泥中的原生动物及其生态演替2 0 2 3 本章小结2 2 v 北京化工大学硕士学位论文 第三章生物滴滤塔用填料的研究2 3 3 1 试验部分2 3 3 1 1 材料与仪器2 4 3 1 2 试验方法2 4 3 1 2 1 固定化颗粒的制各2 4 3 1 2 2 摇瓶试验2 4 3 2 结果与讨论2 4 3 2 1 正交试验2 4 3 2 2 单因素试验2 7 3 2 2 1 包埋剂中p v a 浓度对c o d 去除率的影响2 7 3 2 2 2 污泥浓度对c o d 去除率的影响2 8 3 2 2 3 包埋剂中s i 0 2 对c o d 去除率的影响2 8 3 2 2 4 活性碳对c o d 去除率的影响2 9 3 2 2 5 包埋剂中c a 对c o d 去除率的影响2 9 3 2 3 固定化颗粒对合成废水的处理研究3 0 3 2 3 1 固定化颗粒对废水连续运行的实验研究3 0 3 2 3 2 固定化颗粒对进水p h 值的抗冲击能力3 l 3 2 3 3 固定化颗粒的抗有机负荷能力3 l 3 2 3 4 反应时间对降解效率的影响3 2 3 2 3 5 固定化颗粒处理废水的动力学研究3 2 3 3 本章小结3 4 第四章生物滴滤塔对乙硫醇恶臭气体的处理效果的影 ， 4 1 试验装置与方法3 5 4 1 1 试验装置3 5 4 1 2 析项目及测定方法3 6 4 2 研究结果与讨论3 6 4 2 1 断面速度对乙硫醇净化效率的影响3 6 目录 4 2 2 进气浓度对乙硫醇净化效率的影响3 6 4 2 3 液气比对乙硫醇净化效率的影响3 8 4 2 4 喷淋液p h 值对乙硫醇净化效率的影响3 8 4 2 5 生物滴滤塔抗冲击负荷能力3 9 4 2 6 生物滴滤塔连续运行情况4 0 4 3 本章小结4 1 第五章结论与建议4 3 5 1 结论4 3 5 2 建议4 4 参考文献4 5 致谢4 9 研究成果及发表的学术论文5 0 i 北京化工大学硕士学位论文 v n i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微生物法处理恶臭气体的原理 恶臭生物处理，即生物脱臭，其机理是：臭气物质首先溶解在水中，而后被 微生物吸收，作为微生物营养物质被分解、利用，从而除去污染物，是应用自然 界中微生物能够在代谢过程中降解恶臭物质这一原理开发的大气污染控制新技 术；是近年来兴起的全新方法。它与物化技术相比，具有投资低、且不易产生二 次污染等优点，国外研究活跃尤其日本、荷兰、德国，近年来已广泛应用于 低浓度恶臭源的治理。我国仅在8 0 年代末才开始实验室研究，主要集中在改进生 物脱臭方式和工艺路线上，有关处理硫系恶臭物质的微生物研究还处于初级阶 段。具有代表性的生物脱臭工艺其生物相来源于自然或人工环境中的混合菌群， 虽经驯化，但总体代谢选择性和有效微生物比例仍较低，单位体积的处理负荷不 高。因此广泛查找自然界现存的硫化物氧化菌，并筛选出高效、广谱脱臭菌群是 下一步的工作重点【i j 。 目前我国的生物脱臭研究还处于开始阶段。一方面，对于生物脱臭的工艺选 择、运行参数及处理能力与效果尚需进一步研究；另一方面对脱臭微生物的研究 还有大量的工作需要进行。广泛查找自然界中能代谢硫系恶臭气体的微生物，进 行纯种分离，同时进行纯种菌株代谢硫化物的适宜环境条件、生理特性、代谢动 力学及微生物生态学方面的研究。这将有助于加深对生物脱臭机理的认识，对现 有生物脱臭装置的设计与运行也有指导意义。进一步利用微生物遗传学、分子生 物学手段对菌株加以改造，培育出脱臭能力更强、适用范围更广的高效菌株，可 望使含硫恶臭的生物处理出现更大的突破1 2 1 。 1 1 1 恶臭气体的来源 恶臭是指一切引起感觉器官引起人们不愉快既损害生活环境的气体物质。能 引起恶臭的污染物很多，含硫化合物由硫化氢，甲硫醇，乙硫醇。甲硫醚，乙硫 醚。含氧化合物的醛类物质中有甲醛，乙醛，丙烯醛，丙醛；醇类有甲醇，乙醇， 异丁醇；酚类有邻甲酚，对甲酚，间甲酚；酮类有丙酮，丁酮，甲基异丁基甲酮； 脂类有醋酸甲酯，醋酸乙酯，丙烯酸甲酯，丙烯酸乙酯，甲基丙烯酸甲酯；氨类 有氨，甲烷，三甲胺，二甲胺，二乙胺；芳香烃类有甲苯，邻二甲苯，间二甲苯， 对二甲苯，苯乙烯等1 3 1 。 在污水处理厂和许多工业农业生产过程中都会产生大量难闻的废气，其中主 北京化工大学硕士学位论文 要致臭成分是含硫化合物污水处理厂不同环节的硫系恶臭气体组成与含量，其结 果为硫化氢( h 2 s ) ：0 0 1 7 - 4 4 6 9 t t g s l ：甲硫醇( m m ) ：0 0 0 8 - 8 7 1 沮g s l ：甲硫 醚( d m s ) ：0 0 0 3 8 - 2 6 4 t t g s l ：二硫化碳( c 2 s ) ：0 0 0 6 5 7 t t g s l 。这表明在 城镇空间环境中，恶臭污染的一个重要发生源是城市污水处理厂。这些物质的嗅 阈值极低，严重危害人体健康，必须坚决治理，以保护人类的生活环境。 不同企业排放的恶臭物质是不同的，大部分企业排放多种臭气物质，养牛， 养猪，养鸡等饲养业由于动物粪便和尸体的腐败而产生硫化氢，甲硫醇，三甲胺， 氨等臭气物质，水产加工厂的臭气主要成分是硫化氢和甲胺。石油加工业臭气的 主要成分是硫化氢，硫醇和烃类物质。油漆厂、印刷厂、涂料厂、粘结剂厂产生 的臭气的主要成分是烃类、酮类、醛类和酯类物质。屠宰场臭气的主要成分是硫 化氢、甲硫醇、甲硫醚等。 1 1 2 恶臭治理技术 恶臭的治理技术即脱臭技术大致可分为物理方法、化学方法、生物方法三种， 根据微生物的生存状态可将生物学方法进一步分为微生物在固体表面附着的固 相性方法和微生物在液体中分散的液相性方法。下面对一些主要的脱臭方法进行 简要说明。 ( 1 ) 水洗法 水洗法是通过水洗吸收、除掉排放气体中易溶于水的成分( 如氨、低级胺类、 低级脂肪酸类) 的方法。 ( 2 ) 活性炭吸附法( 物理吸收法) 活性炭吸附法是利用活性炭、硅胶、活性白土、沸石等对气体具有强吸附能 力的物质去除恶臭物质的方法。此法对有机物有很强的吸附能力，能够吸附多种 恶臭气体；尤其对于极性分子具有很强的选择性吸附能力，用来去除低浓度的碳 氢化合物较适宜。 ( 3 ) 酸、碱吸收法( 药液吸收法) 酸、碱吸收法是用酸( 硫酸、盐酸等) 、碱( 氢氧化钠等) 化学药剂去除排 放气体中易溶于水的成分的方法。氢氧化钠对硫化氢、低脂肪酸等有明显的吸收 效果，而硫酸、盐酸对氨、胺类有明显的吸收效果。 ( 4 ) 离子交换法( 化学吸附法) 离子交换法是利用离子交换树脂所具有的正负极性，应用电原理吸附臭气中 的正、负离子，除掉恶臭。此法可同时处理多种臭味气体。 ( 5 ) 直接燃烧法( 燃烧法) 2 直接燃烧法是在燃烧炉中直接将恶臭物质加热到其着火点以上，使恶臭污染 物被氧化分解为无臭物质和水。 ( 6 ) 催化氧化法( 燃烧法) 催化氧化法是使用铂、钯、钴、铜、镍等促进氧化反应的催化剂，在温度2 0 0 3 0 0 的条件下，恶臭物质发生催化燃烧，继而分解为无臭物质和水。 ( 7 ) 生物膜脱臭法( 生物学方法) 生物膜脱臭是指将微生物固定在载体上，恶臭物质通过微生物床层，与之发 生生化反应，由此去除废气中的恶臭物质。 ( 8 ) 土壤脱臭法( 生物学方法) 土壤发酵脱臭法是使恶臭气体自上向下通过土壤层中存在的土壤胶粒及种 类繁多的细菌、放线茵、霉菌、原生动物、藻类等微生物对其的吸收以达到处理 的目的。 ( 9 ) 堆肥发酵脱臭法( 生物学方法) 堆肥发酵脱臭法的原料以污泥、城市垃圾和禽畜类粪便为主，经好氧发酵、 热处理而成。把堆肥覆盖在臭气发生源或出口处，或集中送到脱臭装置中脱臭， 其装置同土壤法类似。堆肥中的微生物较土壤中的多，因而除臭效率高。 ( 1 0 ) 浓缩技术 浓缩技术是当排放气体的风量大、臭气浓度低时，可先通过活性炭、沸石吸 附后，再用少量气体进行解吸，使臭气浓缩1 0 - 4 0 倍。在此基础上再选择直接 燃烧或催化燃烧法等其它方法去除高浓度的恶臭污染物质 6 4 1 。 表1 - 1 各种脱臭方法的适用范围和特点 t a b l e1 - 1a p p l ya r e aa n dc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tk i n d so fo d o r o u st r e a t m e n t 定义适用范围特点 燃烧法通过强氧化反应降适用于高浓度，小气量净化效率高，恶臭物质被彻底分 解可燃性恶臭物质的可燃性恶臭物质的解掉，但设备易腐蚀，消耗燃料， 的方法处理成本高，处理中可能形成二次污 染物 氧化法利用氧化剂氧化恶适用于中低浓度的恶净化效率高，但需要氧化剂，处 臭物质而脱臭的方臭物质的处理理费用高 法 吸收法 使用溶剂吸收臭气用于高、中浓度的恶臭处理流量大的气体，工艺最成 中的恶臭物质而脱物质的处理 熟，但净化效率不高，消耗吸收 3 北京化工大学硕士学位论文 臭的方法剂，污染物仅由气相转移到液相 吸附法利用吸附剂吸附恶适用于低浓度的、高净净化效率很高，可处理多组分的 臭物质除臭的方法化要求的恶臭气体的恶臭气体，但吸附剂费用昂贵， 处理 对待处理的恶臭气体要求高，即 较低的湿度和含尘量 中和脱臭使用中和脱臭剂减适用于需立即地、暂时可尽快地消除恶臭的影响，灵活 法弱恶臭感官强度的 地消除低浓度恶臭气性大，但恶臭成分并没有被去除 方法体影响的场合掉，且需投加中和剂 生物脱臭利用微生物降解恶适用于可生物降解的脱臭效率高，脱臭装置简单，处 法臭物质而脱臭的方水溶性的恶臭物质的 理成本低廉，运行维护容易，可 法处理 避免二次污染，但不能回收利用 污染物 1 1 3 生物脱臭机理 恶臭污染物的处理是一个多级的过程：首先臭气经溶解进入液相；然后，液 相中的臭气成分被微生物吸附、吸收；最后，跨膜进入微生物细胞，恶臭污染物 作为营养成分被微生物分解、利用，转化成无臭的成分。生物脱臭机理的理解有 助于工艺流程的改进和新型反应器的设计。 气相转入液相的过程：一般来说，恶臭气体是小分子物质，污染物浓度和气 体压力都比较低，因此在研究其传质现象时可以假设其为理想气体。另外，若气 体流速较低，呈薄层流动，则污染气体进入液相的过程通常可以用双膜理论来描 述。一般情况下，溶氧不太可能成为限速步骤。对于一般溶解度不是极高的恶臭 污染物，当其浓度高达_ 5 9 m 3 时，周围环境中的氧浓度还有大概2 8 0 9 m 3 。但对于 溶解度极高的化合物，如：丙酮、乙醇等，则有可能由于液相中聚集过多的污染 物而导致溶氧限制。 液相与生物膜之间的传质：由于至今对生物膜的定义仍很模糊，大部分有关 液相和生物膜之间传质模型都是建立在一些假定条件上。即假设：( 1 ) 反应器内 为理想的活塞流；( 2 ) 液相和生物膜为独立的两层膜；( 3 ) 液相内传质不是限速步 骤。生物膜上的反应速度可以用m o n a d 动力学公式来描述附】。 4 论 生物法作为一种废气处理工艺在6 0 年代开始被应用，8 0 年代德国和荷兰开 始越来越多地应用生物过滤工艺来处理生产过程中的挥发性有机物、有毒、臭味 的气态污染物i l 】。较之于传统的废气处理方法，生物法具有操作简单，投资运行 成本低、无二次污染等特点【2 5 】。生物过滤( 最常见的生物废气处理装置) 的床 层填料i 般来源于常见的可以被微生物缓慢消耗的廉价天然材料( 比如庭院砍伐 物、泥煤、树皮、木屑或堆肥等) 。这种天然填料组成的床层可以提供微生物所 需要的大部分营养，根据床层填料的性质和操作情况，填料层一般2 5 年需要更 换一次【l 】。根据1 9 9 1 年的统计结果，仅德国和荷兰已有5 0 0 多座生物废气处理 装置。2 0 世纪8 0 年代早期，该项技术开始应用于挥发性有机物( v o c s ) 的处 理【5 】。目前可用于生物处理法处理的废气包括含硫化合物、氨气、氮氧化物、挥 发性有机物等。挥发性有机物由于种类繁多，在工业生产，特别是石油工业的生 产过程中广泛存在。挥发性有机物可以对人体直接造成危害，也可以和空气中的 氮氧化物作用形成二次污染物后损害大气环境质量，因此对挥发性有机物生物处 理的研究近些年来得到了广泛的发展 6 - 9 。 废气中处理技术主要包括冷凝法、吸附法、吸收法、燃烧法( 直燃式催化 燃烧) 、生物法。冷凝法的处理成本较高，在工业生产中，一般要求v o c s 浓度 在5 0 0 0 p p m ( 0 5 ) 以上时，方适用于冷凝法处理，其处理效率在5 0 - 8 5 之间； 吸附法中失效吸附剂和不可用冷凝液需要进行二次处理，在污染物浓度较高时处 理成本高；吸收法很难对污染物进行彻底去除，而为了增加处理效果在吸收液中 加入的添加剂在增加成本的同时也引入了二次污染物；在燃烧过程中产生的燃烧 产物及催化剂往往需要二次处理，而且燃烧法且不适于处理燃烧过程产生大量 s o x 和n o x 的含氮和含硫化合物的废气流，在气体中污染物浓度低时，需要加 入辅助燃料，使处理成本增加【lo 】。 虽然生物废气处理技术的研究和应用起步较晚，但是其在废气处理中的优越 性己得到充分体现。生物技术具有以下优点【l l 】：可以在标准条件下操作( 温度 2 5 3 5 ，常压) ；装置简单可靠；净化效率高；抗冲击能力强；投资和运行成本 低；可以自动操作；无二次污染物形成。 常见的废气处理工艺包括生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法、膜生物反 应器和转盘生物过滤反应器。目前，生物过滤工艺在工业应用中最为广泛，生物 膜反应器和转盘生物过滤反应器还只限于实验室研究阶段【l 。下面对各种废气处 理装置作简单的介绍。 5 北京化工大学硕士学位论文 1 2 1 生物过滤塔( b i o f f l t e r ) 生物过滤塔( b i o f i l t e r ) 是被最早研究和使用的一种处理挥发性有机污染物 和臭味气体污染物的废气处理技术。早在1 9 2 3 年，b a c h 就利用土壤过滤床去除 污水处理厂排放的含硫化氢等恶臭污染物的气体【1 2 l 。早期的生物滤塔主要用于减 少废气中的恶臭气味物质。到了2 0 世纪8 0 年代以后，其应用范围才被扩展到去 除易被生物降解的挥发性有机污染物方面。生物过滤塔( 图1 1 ) 1 3 - 1 4 j 部填充 活性填料，废气经加压预湿后，进入生物滤池，与填料上附着的生物膜( 微生物) 接触，被生物膜吸收，通过微生物的分解、氧化、转化机制，将污染物完全分解 氧化成无害物质。 生物过滤法目前研究得最多，工艺最成熟，在 实际中也是最常用的生物脱臭方法。该法的脱臭效 率受滤料中的含水率、p h 、温度、布气的均匀性和 自然条件等因素的影响。常用的滤料有土壤、堆肥 和泥炭等，这样生物过滤法又可细分为土壤脱臭法、 堆肥脱臭法和泥炭脱臭法等。另外以人工方法将微 生物固定于填料、并填充于塔内，依靠固定化微生 物的作用，脱除恶臭污染物，并且已成为目前研究 较多的脱臭方法之一。 ( 1 ) 土壤脱臭法 重i - i 生钧过滤 辨1 1d i e f i l t e r 职棚 该法是人们最早利用的微生物脱臭法。该方法是使恶臭气体自下向上通过 土壤层中存在的土壤胶粒及种类繁多的细菌、放线菌、霉菌、原生动物、藻类 等微生物对其的吸收、降解达到处理的目的。土壤脱臭一般采用固定床，其组 成为粘土4 - 12 ，有机质沃土士1 5 3 ，细砂土士5 3 9 ，粗砂士2 9 。土壤层厚为 0 5 l 米，水分保持在4 0 - - 一7 0 ，p h 保持在7 8 ，气速一般为2 1 7 m m s 为宜。 若在土壤层中添加一些改性剂，脱臭效果将更好。如加少量鸡粪和珍珠岩后， 可提高对恶臭气体甲基硫醇、二甲基硫、二甲基二硫的去除率。土壤处理系统 使用一年后会发生酸化，应及时加入石灰调整其p h 值。 ( 2 ) 堆肥脱臭法 该法是以城市垃圾、禽畜粪便和污泥等有机废物为原料，经好氧发酵得到的 熟化堆肥进行脱臭的处理技术。由于堆肥方式比土壤中细菌繁殖密度高，故整个 装置紧凑、去除臭气效果更好。据报道，用土壤法2 r a i n 才能去除的恶臭成分， 用堆肥法仅需3 0 s 即可完成。近年来，欧美一些国家又开发了许多封闭式产品， 6 从而加强了对脱臭过程的控制能力。 ( 3 ) 泥炭脱臭法 泥炭脱臭法是一种以泥炭代替土壤作为脱臭微生物载体的脱臭技术。泥炭具 有价格低廉、压损低、床层高度可达1 0 0 c m 、透气速度比土壤脱臭更高的特点。 ( 4 ) 塔式生物滤池 该法以其装置的合理性、高效性和占地面积少等优点成为生物脱臭法的主 流。臭气由塔下部通入，臭气成份在通过填充层时，由于填充滤料表面生长的微 生物的分解作用而达到脱臭目的。为了提供微生物生长繁殖所需的水分和营养物 质，并冲走生物代谢生成物，需要在填充塔的项部连续或间歇的喷淋水。根据臭 气成份的捕捉过程，塔式生物滤池大致可分为吸收型和吸附型两类。所谓吸收型 是指喷淋水量较多，在载体的表面形成一层液膜，臭气成份通过时首先溶解在液 膜中，然后再被载体表面附着的生物分解。吸附型喷淋水量较少，其水量只要能 润湿载体表面的生物膜即可，臭气成份通过时首先被吸附在载体表面的生物膜 上，然后再被微生物分解。至于采用哪种类型，需根据臭气成分的性质( 主要是 在水中的溶解度) 而定。国外有许多应用实例。我国目前也已经开始了这方面的 研究( 1 5 3 。 塔式生物滤池能实现高效率脱臭，极重要的是要使填料的表面能附着大量的 微生物，因此填料的选择至关重要。作为填充塔内的填料，应具有以下性能：对 臭气成分去除效率高；材质好( 强度大、质轻) 、价廉；能保持水分。经多年的研 究，现已开发的填料有：多孔陶瓷、硅酸盐材料、海绵、活性炭及其纤维、纤 维状多孔塑料、高分子材料等。塔内填充层的高 度和操作条件( 气体流量、液体喷淋量等) 等都会 影响去除率。日本从1 9 9 0 年开始，采用该法脱 臭的厂家急剧增加，由过去以污水处理厂脱臭为 主，已扩大到其它行业，有广阔的应用前景。 生物滤池处理技术具有设备少、操作简单、 不需外加营养物、投资运行费用低等特点。用于 处理恶臭废气在欧洲和美国已得到广泛的应用， 设备及工艺都较为成熟【1 4 邪】。 1 2 2 生物滴滤塔( b i o t r i c k l i n gf i l t e r ) b d 鞠1 - 2 生物臻游曩 n f , l - 2b j e t r t e k l t j l g 麝i 翱fj t e m 生物滴滤塔是生物过滤工艺的改进，和生物过滤塔均属于固定生物床生物处 7 北京化工大学硕士学位论文 理工艺。生物滴滤塔的床层填料一般是由非活性介质组成，如塑料制品( 拉西环， 球等) 、火山灰石块、聚氨酯泡沫等。微生物附着在填料的表面，循环液体营养 液不断地被加入到反应塔中，为生物新陈代谢提供足够的营养和湿度。废气与液 体在床层内充分接触，污染物被吸附到填料微生物膜的表层，被微生物在好氧 的条件下分解为c 0 2 和h 2 0 。典型的生物滴滤塔流程如图1 2 所示p 锕。 生物滴滤塔的床层填料多为惰性物质( 比如陶瓷或塑料等) ，具有较高的机 械强度和孔隙率( 可以到达9 5 ) ，与生物过滤相比，降低了气体通过床层的阻 力。由于连续流动的液体通过填充层，使得反应条件( 如p h 、营养物浓度) 易 于控制，也可以避免反应产物在床层内的积累。生物滴滤塔在运行前需要预先在 填料表面挂上一层微生物膜，反应过程中产生的剩余污泥需要再处理，而且由于 连续流动液相的存在，使得亨利系数较大的污染物在过程中不容易被除去。 生物滴滤器的优点是设备少、操作简单，压降低，填料不易堵塞、恶臭气体 去除效率高；但需外加营养物，填料比表面积小，运行成本较高，不适合处理水 溶性差的化合物。但对于处理含卤化合物、硫化氢和氨等会产生酸碱性代谢物 的污染物，生物滴滤反应器更容易调整p h ，因此生物滴滤反应器比生物过滤反 应器更能有效地处理上述这些污染物。 1 2 。3 生物洗涤塔( b i o s c r u b b e r ) 生物洗涤塔( b i o s c r u b b e r ) 一般为两段反应体系，污染物的吸附和吸收发生 在第一段，降解在第二段( 图1 3 ) 嘲进行。在实际操作中往往使吸附段床层流 态化以增强吸收液对污染物的吸收能力，因此该工艺属于悬浮生物废气处理技 术。降解段实际上起到液体储 存的作用，以增加微生物降解 污染物的时间，这样根据液体 循环速率和降解段的体积，污 染物的实际降解时间可以长达 一个小时以上。用于生物洗涤 处理的污染物一般要求具有较 高的水溶性和较低的蒸汽压。 与生物过滤塔和生物滴滤塔相 比，生物洗涤塔主要是解决了 用1 - 3 生物沃蠢鬈 棚尊l db i o 蚴m b l l m r y 纽- 两个方面的问题：( 1 ) 提高污染物在液相中的吸附量；( 2 ) 延长微生物消化污染 物的时间。这两个目标的实现一般通过两个途径来解决，( 1 ) 床层填料被液相淹 没；( 2 ) 从洗涤器中流出液体在循环之前被收集到容器中。 8 厂二二二二! 需的成本。生物洗涤装置适用于产酸过程，可以去除含有固体颗粒物的废气，微 生物所需的营养和p h 条件的控制比较简单方便。但是，生物洗涤系统需要安装 价格高昂和复杂的进料和中和系统，安装成本高于生物过滤器和生物滴滤器，该 过程中有化学吸收的过程，因此与另外两个反应器相比，该装置更加接近于化学 装置。当处理的废气流量较大时，生物容易过量生长，引起反应器的堵塞。为了 防止生物量的过量增长，过程中必须处理一些有毒和危险的化学品，增加了过程 中的环境污染。 生物洗涤塔与生物滤池相比，其优点是反应条件易控制，压降低；但设备多， 需外加营养物，成本较高。这种形式适合于负荷较高、污染物水溶性较大的情况， 过程的控制也更为方便。 综上所述，三种生物反应器处理恶臭废气的技术比较见表1 2 。 表l - 2 废气处理技术特点比较 t a b l e1 - 2c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r eo f t h e t r e a t i n gt e c h n o l o g yo f t h eo d o r o u sg a s 特点优点缺点应用范围 生物 单一反应器；气液表面积反应条件不易控制，进气适用于处理化肥厂，污水 滤池微生物和液比值高；设备浓度发生变化适应慢；占处理厂以及工业、农业生 相固定简单；运行费地面积大 产的恶臭污染物浓度介 用低。 于o 5 一1 0 9 m 3 的废气。 生物两个反应器；设备紧凑；低 传质表面积低；需大量提适于处理工业产生的恶 洗涤微生物悬浮压力损失；反供供氧才能维持高降解臭污染物浓度介于 塔于液体中；液应条件易于率；需处理剩余污泥；投 l 5 咖3 的废气。 相流动 控制资和运行费用高 生物单个反应器； 与生物洗涤传质表面积低；需处理剩适用于处理化肥厂、污水 滴滤微生物固定，塔相比设备余污泥；运行费用高处理厂以及农业产生的 池液相流动简单 污染物低于0 5 9 m 3 的恶 臭废气 1 3 活性污泥固定化技术 固定化细胞技术是指通过物理或化学方法将游离细胞定位于限定的空间区 9 北京化工大学硕士学位论文 域内，使之成为水不溶性，但仍保持其生物活性的一项新技术。与传统的生物处 理法相比，固定化细胞技术具有能保持高效菌种、生物浓度高、反应速度快、操 作稳定、产泥量少、固液分离简单等特点，而且固定化细胞对有毒物质的承受能 力和降解能力都有明显增强【1 6 1 。因此，固定化细胞技术在环境污染治理领域中的 应用越来越受到人们的重视。 1 3 1 固定化细胞的制备方法 原则上讲，任何一种能够限制细胞自由流动的技术都可以用于制备固定化细 胞。目前常把细胞的固定化方法分为3 种：吸附法、交联法和包埋法。 ( 1 ) 吸附法 吸附法是通过静电吸引或利用载体对细胞的亲和性将细胞直接吸附在水不 溶性载体上，常用的载体有活性炭、硅藻土等。吸附法操作简单，对细胞活性影 响小，但结合力较弱，常存在细胞泄漏问题。钱新民【1 7 1 等在柱式玻璃反应器内填 充软性纤维材料固定红螺菌连续处理发酵废液，c o d 去除能力每小时可达 1 6 8 6 m g l 。王孔星【l s 】等利用多孔硅酸盐和多孔陶珠作为吸附材料，固定混合脱 色菌处理印染废水，其脱色率可达7 5 。 ( 2 ) 交联法 交联法是利用双功能或多功能试剂如戊二醛、甲苯二异氰酸酯等直接与细胞 彼此交联成网状结构。这种方法结合强度高，稳定性能好，经得起p a 和温度的 剧烈变化，但化学反应激烈，对细胞活性影响大，往往会毒害活细胞，所以在交 联剂的使用浓度、交联时间等方面要加以控制【1 9 1 。为减少交联剂对细胞活性的影 响，可采用聚集一交联法。张琳等用聚集一交联法固定高效脱色菌群处理印染废 水，脱色酶活力较自然细胞提高7 0 左右1 2 0 。牛志卿等用聚集一交联法固定紫 色非硫光合细菌处理活性艳红x - 一3 b 染液，并与包埋固定化细胞的脱色能力进 行了比较，前者酶活力比后者高，半衰期长【2 1 1 。 ( 3 ) 包埋法 包埋法是将细胞包